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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE PONTA GROSSA SETOR DE CIÊNCIAS EXATAS E DA TERRA DEPARTAMENTO DE QUÍMICA CRISTIANE COLODEL KATIA SIMONE GONÇALVES PAULO ROBERTO DOS ANJOS FENÔMENOS FÍSICOS E FENÔMENOS QUÍMICOS PONTA GROSSA 2009 CRISTIANE COLODEL KATIA SIMONE GONÇALVES PAULO ROBERTO DOS ANJOS PROCESSOS FÍSICOS E PROCESSOS QUÍMICOS Relatório apresentado com o objetivo de efetivar o aprendizado a partir dos experimentos sobre fenômenos físicos e químicos, realizados no dia 15/04/2009. Professora: Elayne Cristina da Silva. PONTA GROSSA 2009 SUMÁRIO 1 – Introdução............................................................................................................ 3 2 – Objetivos.............................................................................................................. 4 3 – Procedimento experimental............................................................................... 4 3.1 – Material Utilizado................................................................................................ 4 3.2 – Procedimento..................................................................................................... 5 3.2.1 – Aquecimento do magnésio.............................................................................. 5 3.2.2 – Fusão do estanho............................................................................................ 5 3.2.3 – Combustão do enxofre.................................................................................... 5 3.2.4 – Decomposição do dicromato de amônio......................................................... 5 3.2.5 – Sublimação do iodo......................................................................................... 6 3.2.6 – Reação entre o KI (iodeto de potássio) e o Pb(NO3)2nitrato de chumbo........ 6 3.2.7 – Perda de água de cristalização....................................................................... 6 4 – Resultados e discussão..................................................................................... 6 4.1 – Aquecimento do magnésio................................................................................. 6 4.2 – Fusão do estanho............................................................................................... 7 4.3 – Combustão do enxofre....................................................................................... 7 4.4 – Decomposição do dicromato de amônio............................................................ 8 4.5 – Sublimação do iodo............................................................................................ 8 4.6 – Reação entre iodeto de potássio (KI) e nitrato de chumbo (Pb(NO3)2............... 8 4.7 – Perda de água de cristalização.......................................................................... 9 5 – Questões propostas............................................................................................ 9 6 – Conclusão.......................................................................................................... 10 6.1 – Aquecimento do magnésio............................................................................... 11 6.2 – Fusão do estanho............................................................................................. 11 6.3 – Combustão do enxofre..................................................................................... 11 6.4 – Decomposição do dicromato de amônio.......................................................... 12 6.5 – Sublimação do iodo.......................................................................................... 12 6.6 – Reação entre iodeto de potássio (KI) e nitrato de chumbo (Pb(NO3)2)............ 12 6.7 – Perda de água de cristalização........................................................................ 12 7 – Referências........................................................................................................ 12 3 1 – Introdução A matéria existente constantemente passa por vários fenômenos. Estes fenômenos podem ser físicos ou químicos, dependendo das transformações ocorridas com a matéria durante o processo. A separação dos fenômenos naturais em físicos e químicos foi criada pelo ser humano para facilitar o estudo e a compreensão (CONSTANTINO et al., 2004, p. 211). Na verdade, existe uma linha muito frágil que separa transformações físicas e químicas, pois em muitos casos, pode-se encontrar características tanto de transformação química quanto de transformações físicas em um mesmo fenômeno, como a que ocorre na dissolução em meio aquoso, que é considerado um processo físico, por não formar novas moléculas, mas se for analisado pela sua fórmula química, também apresenta características de processo químico, pois forma novos íons (CONSTANTINO et al., 2004, p. 212). Isso porém, de acordo com Constantino, não compromete a qualidade científica do trabalho, já que o químico pode considerar o processo com sendo aquele mais conveniente com o seu trabalho, conforme os seus objetivos no momento. Mas, como aqui estamos trabalhando com esta separação artificial doa fenômenos, precisamos qualificá-los. Os fenômenos físicos são caracterizados por não alterar a natureza do material, ou seja, o material ou substância não perde sua característica estrutural fundamental: a estrutura das suas moléculas. Elas podem se agitar, se desarrumar, porém, não se modificam estruturalmente (FELTRE, 2004, vol 1, p. 61). No geral, possibilitam que a substância volte ao seu estado inicial. A mudança de estado físico da matéria é um exemplo de transformação física: com o aumento da temperatura da substância, ela passa do estado sólido para o líquido (fusão), do líquido para o gasoso (evaporação, sublimação ou calefação, dependendo da quantidade de calor fornecido e da velocidade com que ocorre). A nível microscópico, quando ocorre o aumento de temperatura, as moléculas vão ganhando energia e ficam mais agitadas, ocupando espaço maior e volume menos definido. Ou pode ocorrer o contrário: com a diminuição de temperatura, a substância passa do estado gasoso para o líquido (condensação), e do líquido para o sólido (solidificação). A nível microscópico, diminuindo-se a temperatura, diminui-se a energia das moléculas, diminuindo-se a 4 agitação entre elas, e a substância passa a ocupar um volume menor e mais definido. Uma transformação particular que ocorre com poucas substâncias é a sublimação, que é a passagem direta, com o aumento da temperatura, do estado sólido para o gasoso, e a ressublimação, com diminuição da temperatura, que consiste na passagem direta do estado gasoso para o sólido. Outros exemplos de transformações físicas são a dilatação térmica e a dissolução em meio líquido (FELTRE, 2004, vol 1, p.61). Já as transformações químicas são caracterizadas pela quebra das moléculas das substâncias que reagem entre si – os reagentes – e seus átomos que se reagrupam de formas diferentes das iniciais, formando novas substâncias – os produtos (FELTRE, 2004, vol 1, p. 61). Algumas reações químicas são reversíveis, como a reação que ocorre nas lentes do tipo transitions,que possuem íons Ag+ e Cu+, que na presença de luz, reagem formando Ag e Cu²+. Como a prata é escura, ela escurece a lente, protegendo os olhos da luz. Na ausência de luz, a reação é reversa, formando novamente os íons Ag+ e Cu+, que são ambos incolores, deixando a lente transparente (FELTRE, vol 2, p157) . Em geral, durante uma transformação química, ocorre liberação de energia (em forma de calor, luz ou explosão), liberação de gases, mudança de cor ou formação de precipitado (FELTRE, 2004, p. 62), podendo ocorrer mais de uma manifestação em umaúnica reação. 2 – Objetivos Saber diferenciar transformações químicas de transformações físicas a partir das características observadas em cada transformação. 3 – Procedimento experimental 3.1 - Material Utilizado: Dicromato de amônio – (NH4)2Cr2O7; Fita de magnésio, Mg; Estanho em aparas, Sn; Solução de 0,25% de iodeto de potássio, KI; Sulfato de cobre pentahidratado, CuSO4 . 5H2O; 5 Enxofre em pó, S; Solução de 0,25 de nitrato de chumbo, Pb(NO3)2; Tubos de ensaio; Pinça de madeira; Pinça metálica; Bico de Bunsen; Vidro de relógio; Espátula; Estante para tubos de ensaio; Tela de amianto; Béquer; Tripé de ferro; Pipeta graduada; Pipetador; Água. 3.2 - Procedimento 3.2.1- Aquecimento do magnésio: Utilizando-se a pinça metálica, a fita de magnésio foi levada até a chama do Bico de Bunsen. 3.2.2- Fusão do estanho: Colocou-se uma porção de aparas de estanho em um tubo de ensaio, e com o auxílio da pinça de madeira para segurá-lo, o tubo foi levado até a chama do bico de Bunsen. 3.2.3 - Combustão do enxofre: Utilizando-se a espátula, colocou-se uma porção de enxofre dentro de um tubo de ensaio, e segurando-o com a pinça de madeira, o tubo foi levado até a chama do bico de Bunsen. 6 3.2.4 - Decomposição do dicromato de amônio: Com o auxílio da espátula, colocou-se uma pequena quantidade de dicromato de amônio, um sólido de cor laranja, dentro de um tubo de ensaio, que foi levado à chama do bico de Bunsen utilizando-se a pinça de madeira para segurá-lo. 3.2.5 - Sublimação do iodo: Foram colocadas dentro de um béquer algumas esferas (cristais) de iodo, e colocou-se o béquer sobre o tripé de ferro, disposto sobre o bico de Bunsen. Tampou-se o béquer com um vidro de relógio, dentro do qual foi adicionado água, e aqueceu-se os cristais de iodo. 3.2.6 - Reação entre o KI (iodeto de potássio) e o Pb(NO3)2 (nitrato de chumbo): Utilizando-se a pipeta graduada e o pipetador, mediu-se 2 ml de iodeto de potássio e transferiu-se o volume para um tubo de ensaio . O mesmo procedimento foi repetido para o nitrato de chumbo. Após, despejou-se o conteúdo de um tubo de ensaio no outro tubo. O sistema resultante foi aquecido na chama do bico de Bunsen, com o auxílio da pinça de madeira. 3.2.7 - Perda de água de cristalização: Colocou-se uma porção de sulfeto de cobre pentahidratado em um tubo de ensaio, utilizando-se a espátula. Usando-se a pinça de madeira para segurá-lo, levou-se o tubo de ensaio até a chama do bico de Bunsen para que fosse aquecido. Após o aquecimento, deixou-se a substância esfriar e, em seguida, adicionou-se um pouco de água. 4 – Resultados e Discussão: 4.1 - Aquecimento do magnésio: 7 Observou-se que quando aquecida, a fita emite uma forte luz branca, e após o aquecimento, a fita, que tinha cor cinza-metálica e era sólida e compacta, passou a apresentar uma substância em forma de pó de cor branca ao seu redor. Isso deveu- se ao fato de que, aquecido em presença do ar atmosférico, o magnésio entra em combustão, formando o óxido de magnésio (MgO), de acordo com a equação: 2Mg + O2 → 2MgO + luz Durante o aquecimento, o magnésio absorve energia da chama; após o processo de óxido-redução, a energia é emitida em forma de luz. Como o magnésio emite luz ultravioleta, a luz é vista a olho nu na cor branca. Este processo era utilizado em antigos bulbos de flash fotográfico (LEE, 1999, p. 170). A energia absorvida pelo magnésio no processo pode ser calculada pela equação: E = h.V Onde, E = energia; h = constante de Plank (6,63 × 10-34 J.s.) V = frequência da luz emitida Como o magnésio emite luz ultravioleta, com frequência de 8,6x1014, a quantidade de energia emitida será de: E = (6,63x10-34 Js) . (8,6x1014 Hz) E = (6,63x10-34 Js) . [(8,6x1014) . 1/s] E = (6,63x10-34 Js) . (8,6x1014 s-1) E = 5,702x10-19 J. 4.2 - Fusão do estanho: Ao ser aquecido, o estanho inicia seu processo de fusão, passando do estado sólido para o estado líquido. Como o ponto de fusão do estanho é 231,9ºC, ao ser aquecido pela chama do bico de Bunsen, que pode alcançar temperaturas entre 1540ºC e 1560ºC (TRINDADE, et al., 2006, p. 21), o estanho é facilmente fundido, passando de seu estado sólido para o estado líquido. 8 4.3 - Combustão do enxofre: Ao ser aquecido, o enxofre, que antes se apresentava em forma de um pó amarelo, forma um líquido de cor vermelha, e libera vapores, que deixam uma substância amarelo-castanha nas laterais do tubo. Ao ser aquecido rapidamente, o enxofre funde-se e forma um líquido instável, que escurece à medida que a temperatura aumenta. O vapor liberado é o SO2, que forma-se pela reação de óxido-redução entre o oxigênio presente na atmosfera e o enxofre, segundo a fórmula: S + O2 → SO2↑ 4.4 - Decomposição do dicromato de amônio: Ao ser aquecido, o dicromato de amônio, que apresentava forte coloração laranja, sofreu decomposição, em uma reação violenta, produzindo faíscas dentro do tubo de ensaio, e ao final da reação, o volume do sistema aumentou consideravelmente, sendo produzida uma substância de cor verde, de baixa densidade, e também houve formação de gotículas nas paredes do tubo e liberação de gás. Isso ocorreu devido à decomposição do dicromato de amônio segundo a reação: (NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2↑ + 4H2O A substância de cor verde é o óxido de cromo (que possui tal cor devido à presença do íon Cr3+, o mesmo que dá a cor verde à esmeralda (ATKINS, JONES, 1999, p. 857), o gás desprendido é o nitrogênio, e as gotículas que se formam nas paredes do tubo são resultado da formação de água durante a reação de decomposição. 4.5 - Sublimação do iodo: O iodo é uma das raras substâncias que sofrem o processo de sublimação. Assim, ao ser aquecido, esta substância, que na forma de cristais possui cor cinza escura e levemente metálica, formou vapores de cor violeta dentro do béquer. Estes vapores, ao subirem e entrarem em contato com a superfície do vidro de relógio, resfriado pela água contida em seu interior, ressublimam, formando novamente o iodo cristalizado, com brilho metálico e de cor cinza escura. 9 4.6 – Reação entre iodeto de potássio (KI) e nitrato de chumbo (Pb(NO3)2) Ao misturar-se 2 ml de solução 0,25% de KI com 2 ml de solução 0,25% de Pb(NO3)2, ambas substâncias incolores, forma-se um precipitado de cor amarela, obedecendo a seguinte reação (de dupla troca): 2KI + Pb(NO3)2 → PbI2 + 2K(NO3) O precipitado de cor amarela é o iodeto de chumbo (PbI2), formado pela união do ânion I - e o cátion Pb2+, ocorrendo também a formação do nitrato de potássio (K(NO3)), pela união do ânion (NO3) - com o cátion K+. Ao aquecer-se o sistema, observou-se a aceleração da separação das duas substâncias: o PbI2, pouco solúvel, depositou-se no fundo do tubo, enquanto o K(NO3), solúvel em água, permaneceu em solução. 4.7 – Perda de água de cristalização: Quando o sulfato de cobre pentahidratado foi aquecido, observou-se a formação de gotículas nas paredes do tubo de ensaio. Este fato deveu-se à evaporação da água do composto. Quando os cristais perderam água, ocorreu a destruição do complexo azul [Cu(H2O)4] 2+ e a formação do CuSO4 anidro, que é um composto quase branco. Ao adicionar-se água novamente ao CuSO4 anidro, novamente ocorreu a formação do complexo azul, e a substância voltou à sua formação inicial. 5 – Questões propostas Em cada caso, decida se a transformação é química ou física. Justifique sua resposta. a) Queima de uma vela. A transformação é química, pois ocorre um processo de combustão, onde o oxigênio atua como comburente, enquanto a parafina da vela atuam como combustíveis. A reação ocorre da seguinte forma: C3H2 + 2O2 → C + CO + CO2 + H2O b) Filtração da água. 10 A transformaçãoé física, pois o que ocorre é apenas a separação de duas substâncias que estavam misturadas, mas que não reagiam entre si. Mesmo estando juntas em um mesmo sistema, a estrutura de cada substância permanece definida e inalterada. No caso da água, a filtração apenas separa a água pura das impurezas sólidas e insolúveis que existem misturadas a ela. c) Formação de ferrugem. A transformação é química, pois ocorre a interação do ferro (Fe2+) e do oxigênio (O2), dando origem a uma nova substância, diferente das iniciais: o óxido de ferro (FeO), seguindo a reação: 2Fe + O2 → 2FeO d) Digestão de alimentos. Neste processo, ocorre uma série de transformações químicas. Na boca, pela ação de enzimas presentes na saliva, chamadas amilases, ocorre a quebra das moléculas de amido, por hidrólise, formando moléculas de maltose, de acordo com a seguinte reação: amido → maltose (glicose + glicose) No estômago, a função digestória é atribuída ao suco gástrico, formado por ácido clorídrico e as enzimas pepsina e renina. A pepsina digere as proteínas, quebrando- as em moléculas menores, para que sejam mais facilmente absorvidas pelo organismo. No intestino delgado, a bile, substância produzida pelo fígado, quebra os lipídeos em moléculas menores, facilitando a ação da enzima lípase, presente no suco pancreático, produzido pelo pâncreas. O suco pancreático é composto por: * Amilase pancreática: digere o amido que não foi digerido na boca, transformando- o em maltose; * Proteases (tripsina e quimiotripsina): agem sobre as proteínas não digeridas no estômago, transformando-as em peptídeos; * Lipase: age sobre os lipídeos, transformando-os em ácidos graxos e glicerol; 11 * Nucleases: agem sobre os ácidos nucléicos (DNA e RNA) transformando-os em nucleotídeos. Até mesmo o epitélio (mucosa) do intestino produz substâncias digestórias: * Maltase: transforma a maltose em glicose; * Amidopeptidase: transforma os peptídeos em aminoácidos; Neste ponto da digestão, todos os nutrientes já estão prontos para serem absorvidos no intestino grosso. e) Manteiga derrete quando colocada ao sol. É uma transformação física, pois a manteiga se funde pela ação do calor, porém, quando cessado o fornecimento de calor, ela volta à sua forma sólida, com as mesmas características iniciais. f) Plantas usam gás carbônico do ar para fazer açúcares. É uma transformação química, pois a partir do gás carbônico juntamente com a água e a luz do sol, as plantas produzem como novas substâncias o oxigênio, que é liberado para a atmosfera, e a glicose, que a planta utiliza como fonte de energia. A reação acontece de acordo com a seguinte fórmula: luz 6CO2 + 6H2O → C6H12O6 + 6O2 clorofila g) Fusão de um cubo de gelo em um copo de limonada. Ocorre uma transformação física, caracterizada pela fusão do gelo, causada pela diminuição de temperatura. Quando o gelo, que possui temperatura mais baixa, entra em contato com a limonada, contendo água líquida, que possui temperatura um pouco mais elevada, ocorre troca de calor entre as duas fases do sistema. Assim, o gelo perde calor para a água, até que ambos entrem em equilíbrio térmico. Dessa forma, a limonada fica mais gelada, porém, a temperatura não é baixa o suficiente para manter o gelo na fase sólida. 6 – Conclusão 6.1 – Aquecimento do magnésio: 12 É uma transformação química, pois ocasionou a formação de uma nova substância, com alteração de estrutura molecular, liberação de energia em forma de luz e mudança de cor. 6.2 – Fusão do estanho: É uma transformação física, pois ocorreu apenas a mudança de estado físico do material (de sólido para líquido), devido ao aumento de temperatura. Quando a temperatura diminuiu, o metal voltou à sua forma inicial, sem nenhuma alteração estrutural ou outra indicação de reação química. 6.3 – Combustão do enxofre: É uma transformação física e química ao mesmo tempo. Física devido à mudança de estado do enxofre, que, pelo aumento da temperatura, passou do estado sólido para o estado líquido. Mesmo ocorrendo mudança de cor nesta transformação, isto é uma característica particular do enxofre, não constituindo, por este motivo, uma reação química. Porém, houve indício de reação química pela liberação do gás SO2, resultante da oxidação do enxofre. 6.4 - Decomposição do dicromato de amônio: É uma transformação química, pois houve formação de novas substâncias a partir da substância inicial. Ocorreu mudança de cor, liberação de gás e alteração de volume, o que caracteriza uma reação química. 6.5 – Sublimação do iodo: É uma transformação física, pois observou-se apenas a passagem direta de estado físico do iodo, passando de sólido para gasoso devido ao aumento de temperatura. 6.6 – Reação entre iodeto de potássio (KI) e nitrato de chumbo Pb(NO3)2: A transformação é química, pois observou-se a formação de novas substâncias a partir das substância iniciais, e houve mudança de cor e formação de um precipitado, umas das evidências de reações químicas. 13 6.7 – Perda de água de cristalização: Pode ser considerada uma transformação física ou química, como afirma Constantino (2004), pois ocorre a evaporação da água, deixando apenas o Sulfato de cobre. Por este ângulo, pode-se classificar esta transformação como física, pois a alteração principal é a mudança de estado da água, passando, com o aumento de temperatura, do estado líquido para o gasoso. Porém, com a evaporação da água, ocorre a destruição do complexo azul, que é um ânion ([Cu(H2O)4] 2+), e tem-se a formação do sulfato de cobre anidro, que é branco. Desta forma, pode-se considerar a transformação como sendo química, pois observa-se a transformação da substância inicial, que era um cátion, em uma nova substância, estável. Além da formação de nova substância, ainda há a mudança de cor, característica de reações químicas. 7 – Referências CONSTANTINO, M. G.; SILVA, G. V. J.; DONATE, P. M.; Fundamentos de Química Experimental. São Paulo: Editora da Universidade de São Paulo, 2004. LEE, J. D.; Química Inorgânica não tão Concisa. 5. ed. Tradução de Henrique E. Toma, Koiti Araki e Reginaldo C. Rocha. São Paulo: Blucher, 1999. FELTRE, R.; Química / Química Geral. 6. ed., vol. 1. São Paulo: Moderna, 2004. FELTRE, R.; Química / Físico-Química. 6. ed., vol. 2. São Paulo: Moderna, 2004. TRINDADE, D. F. et al.; Química Básica Experimental. 3. ed. São Paulo: Ícone, 2006. SLABAUGH, W. H.; PARSONS, T. D.; Química Geral. Tradução de Alcides Caldas. Rio de Janeiro: LTC, 1977. 14 ATKINS, P.; JONES, L.; Chemistry: Molecules, Matter and Change. 4. ed. United States of America: Freeman, 1999. BRADY, J. E; RUSSEL, J. W.; HOLUM, J. R.; Química: A Matéria e Suas Transformações. 3. ed., vol. 2. Tradução de J. A. Souza. Rio de janeiro: LTC, 2003. PAULINO, W. R.; Biologia. Série Novo Ensino Médio, vol. único. 4. ed. São Paulo: Ática, 2000. ADOLFO, A.; CROZETTA, M.; LAGO, S.; Biologia: Ensino Médio. vol. único. 2. ed. São Paulo: Editora Lago, 2005. Grupo VI A – Calcogênios. Disponível em http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_VIA.htm, acesso em 19/04/2009. Grupo II A – Metais Alcalino-Terrosos. Disponível em http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_IIA.htm, acesso em 19/04/2009. Grupo IV A – Família do Carbono. Disponível em http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_IVA.htm, acesso em 19/04/2009. Grupo VII A – Halogênios, disponível em http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_VIIA.htm, acesso em 19/04/2009. http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_VIA.htm http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_IIA.htmhttp://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_IVA.htm http://www.geocities.com/Vienna/Choir/9201/grupo_VIIA.htm
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